電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析

楊科,張亞鴿,張旭,田惠蘭

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司,山西太原 030027)

0 引言

電機(jī)承壓部件耐壓試驗(yàn),也就是壓力試驗(yàn),一般情況下壓力試驗(yàn)分為氣壓試驗(yàn)和水壓試驗(yàn),目的是檢驗(yàn)承壓部件實(shí)物的強(qiáng)度和嚴(yán)密性。在試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)觀察承壓部件有無(wú)泄漏、測(cè)量配合尺寸確定有無(wú)變形,來(lái)驗(yàn)證承壓部件是否具有設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行所必需的嚴(yán)密性和承壓能力。

相同體積、相同壓力的氣體泄漏時(shí)所釋放出的能量要比液體大很多,為降低承壓部件在耐壓試驗(yàn)時(shí)泄漏所造成的傷害,通常情況下試驗(yàn)介質(zhì)優(yōu)先用液體-水。水的來(lái)源和使用都非常方便,又具有作耐壓試驗(yàn)所需介質(zhì)的各種性能,所以常用水作為壓力試驗(yàn)的液體介質(zhì)。

為保證電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)過(guò)程安全可控,將風(fēng)險(xiǎn)降低為0,本文特針對(duì)電機(jī)類產(chǎn)品壓力試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)分析。

1 電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)機(jī)理分析

1.1 壓力單位換算

105Pa=10N/cm2=0.1MPa=1kg/cm2

=10m水柱

1.2 名詞解釋

電機(jī)承壓部件在同容器內(nèi),各處?kù)o壓強(qiáng)相等。稱之為靜水壓強(qiáng);靜水壓力的方向垂直于作用面,壓力等于壓強(qiáng)乘以受力面積;抗拉強(qiáng)度是抵抗最大變形的能力;屈服強(qiáng)度是抵抗起始塑性變形的能力。

1.3 某型電機(jī)壓力試驗(yàn)要求

對(duì)水道進(jìn)行靜水壓試驗(yàn),在壓強(qiáng)為7MPa±0.1MPa,保壓不小于20min的條件下,壓強(qiáng)降落不大于0.05MPa,無(wú)冷卻水滲漏現(xiàn)象;對(duì)水道進(jìn)行0.5MPa的氣密性試驗(yàn),5min不得有泄漏現(xiàn)象。

1.4 承壓工件危險(xiǎn)面校核計(jì)算

1.4.1 危險(xiǎn)面尺寸及受力圖見(jiàn)圖1

圖1 受力分析圖

1.4.2 對(duì)危險(xiǎn)面B-B面進(jìn)行受力計(jì)算

F=PSB-B

(1)

式中,P—壓強(qiáng),7MPa(壓力要求);SB-B—B-B面表面積,1237.8mm2;SA-A—B-A截面單面面積,201mm2;F—B-B面所承受的壓力。

F=PSB-B=700N/cm2×12.378cm2

=8664.6N

σA-A=F/(2×SA-A)=21.5MPa

(2)

該承壓工件所選用的材料為TC4,TC4力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 TC4力學(xué)參數(shù)

通過(guò)理論計(jì)算,σs/σA-A=38.3,危險(xiǎn)截面所需承受的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于承壓工件所選材料的屈服強(qiáng)度,并在彈性變形范圍內(nèi)。該型電機(jī)水壓為7MPa±0.1MPa、氣壓為0.5MPa的承壓工件壓力試驗(yàn)要求,理論設(shè)計(jì)無(wú)危險(xiǎn)。

1.4.3 對(duì)安裝進(jìn)出水/氣管的螺栓進(jìn)行受力計(jì)算

該型電機(jī)安裝進(jìn)出水管的螺栓為2×M4(GB70.1-8.8)。

螺栓機(jī)械性能等級(jí)=8.8

螺栓屈服強(qiáng)度σs=640MPa

螺栓小徑:D1小徑=D-1.0825×P

=4-1.0825×0.7

=3.242mm

螺栓截面積:S螺栓=8.255mm2;

進(jìn)水孔的截面積:S進(jìn)水孔φ2=3.142mm2

擰緊力矩:T擰緊力矩=3.0 N·m (對(duì)于A級(jí)-鋼、鑄鐵部件螺栓連接擰緊)

螺栓的預(yù)緊力:F預(yù)緊力= 0.04kN

在7MPa水壓試驗(yàn)時(shí),螺栓的受力

F螺栓=PS進(jìn)水孔φ2=0.022kN

螺栓承受的總載荷:F總= 0.062kN

螺栓許用應(yīng)力[σ]=213.33MPa(按安全系數(shù)3計(jì)算)

螺栓計(jì)算應(yīng)力σ=7.5MPa

校核計(jì)算結(jié)果:σ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于[σ]

通過(guò)理論計(jì)算,在水壓為7MPa±0.1MPa、氣壓為0.5MPa的試驗(yàn)中,按照?qǐng)D紙要求以及工藝要求安裝螺栓,壓力試驗(yàn)時(shí)無(wú)危險(xiǎn)。

1.5 機(jī)理分析結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算,該承壓工件危險(xiǎn)截面以及安裝進(jìn)出水/氣管的螺栓均滿足壓力試驗(yàn)的要求,安全可行。

2 電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析

壓力試驗(yàn)過(guò)程中,承壓工件、進(jìn)出水接頭螺栓、氣壓水壓裝置等可能存在的缺陷,在試驗(yàn)過(guò)程防護(hù)不當(dāng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)事故,對(duì)人體安全造成一定程度的傷害。以實(shí)際案例的方式對(duì)壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,并總結(jié)出壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制的相關(guān)措施。

2.1 氣壓試驗(yàn)事故案例

壓力試驗(yàn):0.098MPa的氣壓試驗(yàn)

事故描述:直徑為1m左右的半球面鋼件,通過(guò)螺栓安裝于工件上,對(duì)該半球面進(jìn)行氣密性試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為0.098MPa,氣壓設(shè)備為空壓機(jī),可提供的最大壓力為2MPa,耐壓試驗(yàn)時(shí)壓力表?yè)p壞,導(dǎo)致壓力急劇上升,按0.098MPa計(jì)算,安裝該工件螺栓應(yīng)承受的壓力F=PS=76969N,安裝螺栓的安全強(qiáng)度按氣壓0.098MPa計(jì)算,安全系數(shù)為3,但是在壓力沒(méi)有控制的情況下,超出理論設(shè)計(jì)的安全范圍,并因承壓面積大、容積大,爆破力大,導(dǎo)致螺栓拉斷,工件帶螺栓飛出,造成有人員死亡的嚴(yán)重事故。

2.2 水壓試驗(yàn)事故案例

壓力試驗(yàn): 32MPa的水壓試驗(yàn)

事故描述:直徑380mm ,高1000mm的柱狀承壓部件,該部件上的堵頭設(shè)計(jì)為10mm厚不銹鋼蓋子,實(shí)際錯(cuò)用成5mm厚鋁件蓋子,鋁σb=124MPa、σs=55.2MPa,不銹鋼σb=485MPa、σs=170MPa。通過(guò)理論計(jì)算,在該水壓下,蓋子需要承受的壓力大于5mm厚鋁蓋可承受的壓力,因此,在水壓試驗(yàn)過(guò)程中,造成鋁蓋沖出工房的嚴(yán)重事故。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

以上2個(gè)壓力試驗(yàn)事故均屬于試驗(yàn)前對(duì)壓力裝置、承壓部件沒(méi)做好檢查,并且無(wú)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)防護(hù)措施,超出理論設(shè)計(jì)安全范圍,造成人員和物的傷害。

通過(guò)查閱資料得知,人體皮膚可承受的壓力為0.5MPa～1.6MPa,試驗(yàn)過(guò)程中的意外對(duì)人體的皮膚可造成傷害,而人體眼睛的抗沖擊能力很差,所以在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)操作人員必須佩戴PVC抗沖擊透明護(hù)目鏡。在沖擊負(fù)荷下,3mm厚的塑料罩子以及護(hù)目鏡可承受的壓力最小值為0.6MPa,在試驗(yàn)過(guò)程中防護(hù)罩子以及護(hù)目鏡的防護(hù)可減緩沖擊物體或氣體對(duì)人體的傷害。

通過(guò)對(duì)案例以及人體可承受的壓力分析,對(duì)試驗(yàn)裝置、壓力試驗(yàn)過(guò)程明確要求,制定風(fēng)險(xiǎn)控制的相關(guān)措施,將風(fēng)險(xiǎn)降低為0,保證電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)過(guò)程安全可控。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)控制的相關(guān)措施

承壓部件壓力試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)分別從以下兩點(diǎn)進(jìn)行控制,具體如下。

2.4.1 對(duì)試驗(yàn)裝置要做明確要求

(1)水壓試驗(yàn)時(shí),保壓過(guò)程無(wú)高壓供給能量,保壓過(guò)程必須關(guān)閉閥門(確保非高液位儲(chǔ)能罐持續(xù)供給高壓液體),且明確最大壓力。

(2)氣壓試驗(yàn)時(shí)無(wú)持續(xù)壓力,保壓過(guò)程必須關(guān)閉閥門(確保非大型儲(chǔ)氣罐持續(xù)供給壓力的氣體),且明確最大壓力。

(3)參試人員在試驗(yàn)前,務(wù)必熟練掌握打壓設(shè)備操作要領(lǐng)和操作順序,牢記由機(jī)械操作主導(dǎo)電氣操作的原則,確保人身安全。杜絕誤操作。

2.4.2 壓力試驗(yàn)過(guò)程的要求

(1)操作人員必須佩帶PVC抗沖擊透明護(hù)目鏡;

(2)被試件上所有焊縫應(yīng)先經(jīng)過(guò)磁粉探傷檢驗(yàn)合格后進(jìn)行壓力試驗(yàn);

(3)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)定置在相對(duì)封閉和半封閉的區(qū)域,并劃定禁區(qū),無(wú)關(guān)人員不得入內(nèi);

(4)試驗(yàn)時(shí),環(huán)境溫度不應(yīng)低于5℃,以避免引起薄弱件的低溫脆性;低于5℃時(shí),應(yīng)采取防凍措施;

(5)試驗(yàn)前,務(wù)必確認(rèn)液壓泵水箱補(bǔ)水閥處于開(kāi)啟狀態(tài),且水箱加滿水,防止加壓泵因缺水而損壞,試驗(yàn)結(jié)束后務(wù)必關(guān)閉液壓泵補(bǔ)水閥,防止水箱溢水;

(6)加壓前,系統(tǒng)充水時(shí)務(wù)必通過(guò)泄壓閥將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排盡,充水完畢后,不要急于升壓,應(yīng)先檢查一下系統(tǒng)有無(wú)滲水漏水現(xiàn)象;

(7)升壓或降壓過(guò)程應(yīng)緩慢、平穩(wěn),觀察壓力表指針移動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)均勻;嚴(yán)禁突然升壓或降壓的操作;

(8)升壓時(shí),先升至1/2試驗(yàn)壓力,檢查系統(tǒng)正常,再升至3/4試驗(yàn)壓力無(wú)異常,最后升至試驗(yàn)壓力,按規(guī)定的穩(wěn)壓時(shí)間進(jìn)行保壓,以壓力不降、無(wú)滲漏為合格;

(9)升壓、保壓過(guò)程中不得用硬物敲擊焊縫、鉚接處、連接處。

(10)保壓過(guò)程中,操作人員必須在安全區(qū)內(nèi)觀察,不可靠近;

(11)系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中,萬(wàn)一出現(xiàn)故障,應(yīng)立即進(jìn)行系統(tǒng)泄壓,務(wù)必在系統(tǒng)完全泄壓的前提下,方可進(jìn)入試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行故障處理。決不允許帶壓操作。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電機(jī)承壓部件壓力試驗(yàn)的機(jī)理分析和壓力試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)分析,總結(jié)了壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制的相關(guān)措施,對(duì)于加強(qiáng)安全生產(chǎn)的監(jiān)督管理、保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全有著普遍的現(xiàn)實(shí)意義。

同時(shí),通過(guò)本文的研究也將加深業(yè)界對(duì)壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí),在防止和減少壓力試驗(yàn)事故方面具有一定的警示作用。